ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК № 1 ЭНЕРГЕТИКА 2008
УДК 621.314
© 2008 г. ПЕШКОВ И.Б., ШУВАЛОВ М.Ю.
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ СТАРЕНИЕ ПОЛИМЕРНОЙ ЭКСТРУДИРОВАННОЙ ИЗОЛЯЦИИ СИЛОВЫХ КАБЕЛЕЙ:
ИССЛЕДОВАНИЯ, ИСПЫТАНИЯ, ДИАГНОСТИКА, ОЦЕНКА РЕСУРСА
Приведены результаты исследований механизма старения пластмассовой изоляции силовых кабелей среднего напряжения - развития так называемых "водных три-ингов" - своеобразных повреждений, зарождающихся на микроскопических дефектах изоляционной системы под действием электрического поля и воды, диффундирующей в кабель из окружающей среды. Дана математическая модель процесса, частично основанная на аналогии развития ВТ с эффектом Ребиндера, результаты длительных испытаний изоляционных материалов и кабелей на ускоренное старение, данные микроспектрального анализа. Результаты исследований используются для диагностирования состояний действующих кабельных линий и для прогнозирования остаточного ресурса.
Электрические силовые кабели являются неотъемлемой частью энергетического хозяйства любой промышленно развитой страны. Передача и распределение электроэнергии по кабелям осуществляется тогда, когда применение воздушных линий электропередач невозможно или нецелесообразно по техническим, экономическим (высокая стоимость земли), экологическим или другим причинам. Кабельные линии используются для вывода мощностей с электростанций, ввода мощностей в города, для электроснабжения потребителей - промышленных предприятий, жилых домов и т.д.
Электрическая изоляция (ЭИ) кабелей традиционных конструкций состоит из бумажных лент, пропитанных вязким диэлектрическим составом (для среднего напряжения) или изоляционным маслом под давлением (для высокого напряжения). Эти изделия зарекомендовали себя как высокоэффективные и надежные, большое количество их находится в эксплуатации во многих странах, в ряде стран они по-прежнему производятся, в т.ч. в России (для среднего напряжения).
В 60-х годах прошлого столетия начато освоение производства и внедрение в промышленную эксплуатацию принципиально нового вида кабелей с полимерной изоляцией (КПИ), накладываемой методом экструзии. Сначала в качестве изоляции использовался термопластичный полиэтилен, затем этилен-пропиленовая резина (наряду с термопластичным полиэтиленом). В настоящее время почти повсеместно изоляцией таких кабелей является сшитый полиэтилен, причем сшивка линейных цепей полиэтилена осуществляется с помощью пероксидов или силансодержащих соединений (в последнем случае в условиях воздействия влаги).
Кабели с изоляцией из сшитого полиэтилена имеют ряд преимуществ по сравнению с кабелями с пропитанной бумажной изоляцией: высокая технологичность при производстве, простота монтажа и эксплуатации, меньшая стоимость, высокая экологич-ность и т.д.
Однако, в 1970 г. в США и Японии начались многочисленные отказы кабелей среднего напряжения, причем наработка отказавших кабелей исчислялась лишь несколькими годами [1]. Причиной этого стали своеобразные повреждения, развивающиеся в
полимерной ЭИ в результате одновременного действия электрического поля и воды, диффундирующей в ЭИ из окружающей среды. Эти повреждения, получившие название водных триингов (ВТ), зарождаются на микроскопических технологических дефектах собственно ЭИ (на газовых полостях, инородных включениях) и полимерных электропроводящих экранов (на выступах экранов в ЭИ, на инородных включениях в экранах). Примеры ВТ показаны на рис. 1.
В морфологическом отношении ВТ представляют собой систему полостей микронного и субмикронного размера, заполненных водой и водорастворимыми примесями, изначально входящими в состав триингообразующего дефекта. Поскольку ВТ развиваются под действием электрического поля, преимущественное направление их роста совпадает с направлением вектора напряженности. ВТ растут сравнительно медленно (но достаточно быстро, чтобы преждевременно вывести кабель из строя), но, по мере того, как их размеры и степень повреждения полимера внутри ВТ достигают некоторого критического уровня, на ВТ, как на "вторичных" дефектах зарождаются электрические триинги - разветвленные древовидные каналы неполного пробоя ЭИ. Электрические триинги растут относительно быстро, рост сопровождается интенсивным выделением и рассеянием энергии за счет того, что в их полых ветвях развиваются частичные разряды. Как только электрический триинг прорастает сквозь всю толщу ЭИ, наступает электрический пробой.
Когда была осознана угроза, которую представляют собой ВТ, значительные ресурсы были направлены на усовершенствование конструкции кабелей, технологии их изготовления (минимизация количества и размеров дефектов) и на создание изоляционных материалов, в которых замедлялся бы рост ВТ. По этим направлениям были достигнуты значительные успехи [2-4].
Стойкость кабелей к электрохимическому старению, т.е. к развитию ВТ, проверяется специальными испытаниями, которые предусматривают длительное приложение к ЭИ напряжения, в три-четыре раза превышающего номинальное фазовое, при постоянном доступе к ЭИ воды. Такие испытания стандартизованы в США [5] и в Евро-
пе [6]. Европейские нормы испытаний, разработанные комитетом по стандартизации в электротехнической промышленности (СЕ№ЕЬЕС), приняты в России [7].
Несмотря на успехи в области создания более надежных диэлектрических материалов и технологии их переработки в высококачественные изделия, ВТ по-прежнему остаются объектом пристального внимания ряда крупных компаний, производящих изоляционные материалы и собственно кабели, и эксплуатирующих их предприятий.
Причины такого интереса следующие:
- стремление создавать более долговечные материалы и конструкции;
- регулярное появление на рынке новых материалов, которые позиционируются поставщиками как стойкие к развитию ВТ, но надежность которых не подтверждена ни длительными испытаниями, выполненными в авторитетных испытательных центрах, ни опытом эксплуатации;
- необходимость создания более надежных и достоверных методов оценки стойкости электроизоляционных систем к ВТ. Следует отметить, что существующие методики испытаний, например [5, 6], не могут решать некоторые задачи. Так, результаты испытаний, выполненных по методикам [5, 6], не позволяют оценить ресурс кабеля. Некоторые изоляционные системы, не обладающие достаточной триингостойкостью, выдерживают испытания по действующим нормам (см.[8]);
- электрохимическое старение остается основным механизмом деградации экстру-дированной ЭИ силовых кабелей среднего, а в ряде случаев и высокого напряжения. Следовательно имеется необходимость в разработке способов решения таких задач, как прогноз ресурса вновь разработанных материалов и изделий, диагностика состояния и прогноз остаточного ресурса кабелей, находящихся в эксплуатации.
Актуальность проблем ВТ обусловлена, очевидно, и объективной сложностью физико-химической природы старения, и сложностью перечисленных задач. В данной статье рассмотрены некоторые экспериментальные и теоретические результаты, которые могут быть использованы для решения прикладных задач определения сравнительной триингостойкости, диагностики состояния и прогноза ресурса.
ВТ имеют размеры в диапазоне от единиц микрон (на самом раннем этапе развития) до единиц миллиметров (на этапе достижения кабелем предельного состояния). Они имеют довольно сложную и неоднородную структуру, которая изменяется со временем, поэтому естественно, исследовать их различными микроскопическими методами - компьютерная видео- и фотомикрография, микроспектральный анализ в видимой и ближней ультрафиолетовой области, микроманипуляционный эксперимент.
Исследования авторов показывают, что ВТ в оптическом отношении представляют собой в общем случае фазовоамплитудные объекты. На ранних этапах роста ВТ в большинстве своем не поглощают и не рассеивают видимый свет, но отличаются от окружающего материала коэффициентом преломления (т.е. являются фазовыми объектами). Их можно увидеть, используя различные методы световой микроскопии, чувствительные к фазовому сдвигу - фазовый и аноптральный контраст, темное поле, косое освещение. Пример показан на рис. 1. По мере развития многие, но не все ВТ приобретают рассеяние и поглощение в видимой (и в ультрафиолетовой) области спектра, т.е. становятся амплитудными объектами. Существенно, что поглощение/рассеяние света ВТ может быть измерено путем регистрации соответствующих спектров (см. рис. 2) и использовано для целей диагностики и прогноза ресурса. То, что увеличение оптического поглощения ВТ в процессе старения реально отражает процесс деградации, подтверждается прямыми экспериментами. В индивидуальные ВТ с различным поглощением под микроскопом с применением микроманипуляторов вводился микроэлектрод - металлическая игла с радиусом кривизны острия ~1 мкм. К микроэлектроду ступенчатым подъемом прикладывалось напряжение, вплоть до момента зарождения электрического триинга. На рис. 3 показана зависимость напряжения зарождения электрического три-инга от оптической плотности ВТ (00).
Кинетика развития ВТ экспериментально исследуется посредством специально поставленных лабораторных экспериментов по ускоренному старению образцов изоля-
Рис. 2. Примеры спектров поглощения ВТ в видимой области спектра: ОБ - оптическая плотность; % - длина волны
Исходное состояние изоляции
Рис. 3. Влияние оптической плотности ВТ на стойкость к зарождению электрических триингов: из - напряжение зарождения электрических триингов
ции, путем обследования полномасштабных образцов кабелей, прошедших очередной этап длительных испытаний на подтверждение надежности, и посредством изучения образцов, отработавших часть ресурса в условиях промышленной эксплуатации.
Авторы разработали два типа тест-объектов, позволяющих, наряду с изучением динамики развития ВТ, проводить сравнительные испытания различных изоляционных материалов на триингостойкость. Оба типа объектов изготавливаются из образцов изоляции, вырезанных непосредственно из кабелей, и отличаются тем, что испытания проводятся в одном случае - в неоднородном, в другом - в однородном поле.
На рис. 4 показан пример в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.